富士電機:車規級IGBT模塊的應用現狀

2019-10-07 21:29:16 Westpac Electronics

經國務院批準,世界新能源汽車大會(WNEVC)于2019年7月1-3日在海南博鰲隆重召開。大會著眼于全球汽車產業的轉型升級和生態環境的持續改善,通過聚集全球專家智慧和產業精英,共同交流探討新能源汽車在技術創新、產業創新、政策創新、市場模式創新等領域的成功經驗與發展趨勢,凝聚產業共識,明晰汽車產業轉型升級的方向,探索電動化、智能化、共享化協同發展的有效路徑。在“先進電驅動技術”的主題峰會上,富士電機汽車半導體研發部部長TAKENOIRI Shunji發表了演講,內容如下:


新能源汽車大會


謝謝剛才的介紹,我也非常高興來到這里做演講,我今天演講的主題是車規級的IGBT模塊的應用。我的名字叫做SHUNJI  Takenoiri,有點難讀,我的公司是富士電機。我想給大家講講功率半導體,之后會講講整個的IGBT的模組,第一部分,市場的情況和功率半導體。因為現在二氧化碳增長的量越來越大,所以我們要怎么樣才能通過目前功率半導體來提高整體的環境質量?這個圖上可以看到在日本、美國、歐盟和中國有不同的減排目標,我們在2013年都可以看到大家都是在致力于減少溫室氣體排放的,而新型的能源和技術的使用則是減排的關鍵。在我們公司,我們2013年的減排目標則更加雄偉,希望減少31%。所以是比我們的國家標準還要高的,在做供電半導體的時候,通過我們這個技術的使用也會減少二氧化碳的排放。那接下來,我們來看一下溫室氣體減排的比例,溫室氣體排放的比例看是哪一個行業排放得更多,我們提供這種供電的產業用級設備,另外我們還給汽車行業提供模組。IGBT的模組也在不同的領域得到了利用,比如說有工業級的模組,他們都是可以幫助我們提高性能節省能源,同樣也可以幫助我們減少溫室氣體的排放。

看一下這個圖,其實我在之前也看過類似的圖。這個圖是全球相關排放的管理標準,這其實就包括未來的標準和目標,這是從ICCT的白皮書上摘抄下來的。那這個乘用車的二氧化碳排放量要大大地降低。這是預計的生產產量,從2017年到2023年,上漲只有2%,主要就是電車。所以你會看到這個電車的比重還是比較小的,但是整個作為市場的吸引力還是很大的。說到供力的半導體,它的性能比較好,效率比較高,比較可靠,而且它比較小比較緊湊,也就是說需要的空間比較小,而且比較輕,所以它也比較節能,那這四個加在一起都是比較重要的性能。它不光是比較便宜的客機,同樣在封裝和控制方面也都是非常有優勢的。那這個給大家展示了一下我們的汽車產品,汽車產品其中就包括IGBT模阻,其中還有控制器,另外還有一些小型的模組,還有發動機的控制器,所以半導體的使用越來越多,而且在具體方面也有比較大的進步。我一開始講到溫室氣體的減排,其實現在的管理條例和全國的標準都在加緊收縮收嚴,與此同時,我們現在有很多的技術創新來解決這些問題,而汽車行業也在推動技術的發展來解決這些問題,并且滿足這個管理的標準。比如說在IGBT的模組里面左下角,那我們要去提高效率或者補組效率不足方面也做了很多的改進。這也是我們在可靠性方面做的更好的設計。

最后,我們希望能夠實現一個最佳的效果,實現更高的性能和質量,我們控制這個過程設計,控制檢查,另外我們還要在可靠性的工程方面進行更好的分析。從質量方面和過程設計方面都希望達到更好的效果,給大家提更好的產品,這個部分給大家講一下IGBT模組的特性和性能,它有散熱的性能,(三角形Diot)T主要是在講這些溫度,這些芯片所受的溫度是有限制的,這就是有熱的產生,發現它的體積比較小,因為使用了半導體。所以芯片加大減少了阻力,但是也會增加成本,但是講到導電性能的變化,所有的問題是可以通過改變IGBT的性能來改善的。那在這邊,我給大家展示一個圖,展示了直接和間接水冷卻的方法,我們是使用部分的廢水來進行冷卻,有直接和間接兩種方式。你可以看到這個直接的方式,基座直接與冷卻器連接到一起的。那么剛才已經討論了模組的特性,主要就是使用RC  IGBT,使用芯片上的傳感器(內置傳感器)和直接的水冷卻法,首先我講一下冷卻器的結構。這個地方是和外殼整合在一起的,這個地方大家可以看到這個圖表,可以看到平臺一是鋁線,那另外的一個使用的是另外一個模組。第二個模組將會在今年下半年推出,介紹了一下M653,這是我們剛才說的平臺模組,這是鋁線的,現在已經投入生產,M653是750伏、800A的IGBT,除此之外呢?它的電流和溫度的傳感器都裝在芯片上,可以進行實時的感知,再講到水冷卻。它其實就是用戶可以通過與產品的簡單連接來進行冷卻,這邊介紹了一些比較具體的參數和性能。那這個部分就是動力密度方面的趨勢,你會看到這兒有幾條線,我們通過對比,使用全球性的標準去對比其實性能是四倍以上的,5-6倍的。那說到車用呢?車級規的話,它的冷卻性能很好,但是模組性能更低,我們摩阻當中提高了冷卻性能,把直接和間接的方式整合在一起。說到下一代的儀器,我們還會用Pin結構的冷卻系統,我們之前把冷卻從開放式變成閉合式,這影響了我們的系統。如果在這種情況下,你要保持性能的話,你就要保證Pin真的不會碰到外殼。

下面這個圖就展示了,在右邊就展示了閉合性的。在這個閉合里面,你會發現針就被包含在里面了,那就沒有這個問題。所以它在變慢的時候就會變藍。所以你會發現它這個針與外殼之間有一定距離的時候,它的顏色會變,而且它的冷卻性能會減少,但是在右邊這邊的話,你會看到它的性能是不一樣的,所以你會發現這個熱阻力就一下減少了30%,在這個地方會有展示。那除了這個形式的改變,我們還做了其他的改變,比如說我們把材料從銅變成了鋁,如果這個銅的使用量在這個模組里面的使用量比較大的話,那它的重量就比較大,所以我們用了鋁以后,這個量減少了60%。然后我們看看它右邊這個圖也是對比了使用銅和使用鋁的區別,銅基和鋁基的區別,可以看到它的熱擴張系數,不同的材料熱擴張系數是不同的,這樣的話,如果說熱擴張系數太少的話就會降低減少整個模組的生命周期。所以我們就通過增強焊接的力度來提高整體的穩定性。下面給大家簡單介紹一下怎么樣來提高IGBT芯片的性能的,我們芯片的大小橫軸是年份,我們可以看到1990的時候是第二代,它那個時候還是100大小,隨著時間的發展,這個芯片的大小是越來越小的,但是它的性能是越來越高的,在第八代芯片的時候,芯片的大小大概減少20%,而且廢物的排放也會減少20%。所以隨著通過這樣的技術改造就讓整體模組的大小變小,但是功率密度卻有所上升。出去我們把它分開來看,可能會得到一個結果,如果把IGBT合在一起當做一個整體來看是另外一個結果,比如說IGBT和FWD放在一起,中間那一行是芯片的布局,最后一行是熱量產生的情況。我們可以看到在IGBT和FWD他們分別產生的熱量都是有一部分是集中的地方。我們會對此進行干預,然后也會減少熱阻力,以此來減小模組的大小和模組的成本。

這樣一來,因為我們降低了它的熱阻力和熱阻性,所以就可以提前預防過熱的情況。這樣的話等于就是我們克服了這方面的技術難題,可以運用于大規模設計。對于整個行業的生產也會有所貢獻,然后這一幅圖是我們IGBT整體的熱阻力減少帶來的優點,中間的話,我們可以看到經過改善和改良之后,我們熱量的數一下從一個集中過熱的情況到了完全綠色沒有過熱的經過,本來的話,熱量只是傳導到一個芯片,在IGBT的模組放到一起,熱量會均勻分散到不同的芯片之上。因此,可以降低12%的熱阻量。所以FWD的芯片也會因此減少。因此,這個技術對于IGBT,因為它可以將整體的熱量產生減少40%。

這個部分想跟大家簡單說一下I2T的穩定程度,通過這樣的改善可以提高整體的運營效率,因此我們必須要考慮I2T的的耐度,這也是非常關鍵的一環,我們將I2T耐力和FWD進行比較,這幅圖讓我們可以看到從接線的形式改成框架的形式是非常有好處的。如果講IGBT與FWD接線相連的話,我們可以看到下面左下角的圖是這樣的一個功率路徑。如果我們采用框架式連接就是右圖的一個結果,所以在同樣的一個區域,我們會發現使用RC-IGBT的話加上框架式連接可以大大地提高它的載能,使用RC-IGBT的話,如果改成從接線模式改變框架模式可以提高33%的效能。整體的載能可以提高2.4倍,就是把FWD和IGBT通過框架的形式聯結。

最后,跟大家簡單介紹一下我們芯片上裝的傳感器。我們之前跟大家介紹過了我們的溫度傳感器。溫度傳感器是由很多部分構成的,然后通過這樣的溫度傳感器可以感知到溫度,使用這樣的溫度,芯片上的溫度傳感器可以通過RC-IGBT的可允許電流,會比使用NTC的時候要高,而且當溫度升高的時候,這個芯片上的溫度傳感器會立刻做出反應。而NTC這套設備的速度會更慢,反應速度沒有那么快,本來這個溫度過熱就是我們在使用該模組的時候最需要注意的一個點,所以從另外一個角度來看,我們使用芯片上本身就有的溫度傳感器可以大大減少其邊際成本,尤其是在我們有大量數據的情況下,在這個圖上,大家也可以看到,在芯片上內置的溫度傳感器和NTC之間有13%,而且使用芯片上的溫度傳感器占用的空間也更加小。

這張圖可以給大家看到超高溫的時候非常精確的溫度感知。我們使用這樣最先進的智能門驅動就可以更好地控制溫度的邊際。然后這樣的話,我們使用這樣的溫度傳感器去收集溫度數據,可以同時把握高溫的上線和低溫的下線。所以我們可以看到我們歸置預測的這條線和實際測出的這條溫度線是基本上重合的,而且輸入的這個數字一般都是整數,設置的溫度也包括了測量這部分。我們通過這樣的最先進的溫度傳感器可以大大提高溫度感知的精確度,所以今天像我們的IGBT使用鋁和我們的傳感器,我們希望通過我們這樣的產品更好地減少全球變暖和溫室氣體的排放,并且為社會帶來更多的福祉,我們希望未來為科技能源和創新的發展作出我們的貢獻。


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